Гидросфера - водная оболочка Земли, включающая всю хими-чески несвязанную воду и удерживаемая у поверхности силой тя-жести. В состав гидросферы включаются все природные воды Зем¬ли, участвующие в глобальном круговороте веществ, в том числе подземные воды в верхней части земной коры, атмосферная вла¬га и вода живых организмов (В. Н. Михайлов, А. Д. Добровольский, 1991). Верхняя граница гидросферы проводится по поверхности океана, так как пары воды в атмосфере составляют очень неболь¬шую часть гидросферы. Нижняя граница гидросферы проводится по дну океана, в литосфере - по границе распространения под¬земных вод, т.е. на глубине несколько сот метров. Химически свя¬занная вода - это вода в минералах, в состав гидросферы она не включается.
Некоторые ученые придерживаются другой точки зрения. С. В.Калесник (1955) к гидросфере относил только воды Миро¬вого океана. По мнению Ф.Н. Милькова (1990), собственно сфе¬рой являются лишь воды Мирового океана и внутриматериковые водоемы. Пары воды в атмосфере следует называть рассеянной гид-росферой, а подземные воды - погребенной гидросферой. По мнению автора, все воды суши, составляющие около 6 % (по дру¬гим данным 4 %) воды гидросферы, являются сферой рассеяния и связаны с океаном только влагооборотом.
Исследует гидросферу гидрология - наука, изучающая при-родные воды Земли и процессы, происходящие в них при взаи-модействии с атмосферой, литосферой, биосферой и с учетом влияния хозяйственной деятельности. Гидрологию подразделяют по направленности и методам исследования на общую гидроло¬гию, изучающую наиболее общие закономерности гидрологиче¬ских процессов и явлений; региональную гидрологию, занимающуюся изучением конкретных водных объектов; инженерную гидрологию, разрабатывающую методы расчета и прогноза различных гидрологических характеристик. Общая гидрология по объектам исследования подразделяется на гидрологию морей (физическую океанологию), гидрологию суши и гидрологию подземных вод. Гидрология суши, в свою очередь, разделяется по объектам исследования на гидрологию рек, озер, болот и лед¬ников.
Гидросфера занимает 361 млн км2.
Главная масса воды сосредоточена в океанах - 1370,0 млн км3, или 94,2 % (97,2 %, по другим данным) всей воды гидросферы. Из них около 35 тыс. км3 приходится на айсберги - большой резерв чистой воды.
Второе место занимают подземные воды - 60 млн км3 (4,12 %). В зоне активного водообмена циркулирует около 4 млн км3. По мнению ученых, в 10 - 15-километровой толще литосферы нахо¬дится около 150 млн км3 воды, не участвующей во влагообороте, но представляющей собой резерв жидкой воды.
Третье место по объему воды занимают полярные ледники, в них сосредоточено 24 млн км3 воды. Эти воды также представляют собой резерв пресной воды, который в ряде стран уже используют. В поляр-ных ледниках заключено около 90 % запасов пресной воды на Земле.
Поверхностные воды суши сосредоточивают небольшую долю воды планеты. Объем озерной воды оценивается в 278 тыс. км3, рек всего в 1,2 тыс. км3. Единовременный запас пресной воды на Земле составляет около 32 млн км3 - ледники, пресные озера, реки и пресные подземные воды (Л.П.Шубаев, 1977).
Состав самых древних пород свидетельствует о существовании гидросферы в самом начале геологической истории Земли. Воды гидросферы образовались одновременно с газами атмосферы вслед-ствие дегазации мантии, объем гидросферы с течением времени нарастал. Примерно 4,5 млрд лет назад (катархей- ский этап) первичная гидросфера тонким слоем покрывала всю Землю и воды ее были минерализованы. В протерозое сформировался огромный единый массив суши и впадина древнего Тихого океана. В мезокайнозое в связи с образованием материков и крупных океанических впадин гидросфера приобрела близкие к современным очертания. Объем гидросферы продолжает нарастать и сейчас со скоростью около 1 км3 в год. В связи с этим предполагают увеличение объема водной массы океана на 6 -7 % в течение ближайшего миллиарда лет (Р. К. Клиге, 1982).
Гидросфера теряет воду вследствие улетучивания водорода в космос, изъятия воды организмами в реакции фотосинтеза.
Водная оболочка Земли - гидросфера включает в себя моря и океаны (Мировой океан), все воды суши и атмосферы, подземные воды, льды. Из общего объема вод гидросферы (1616 млрд, км 3) преобладают соленые воды Мирового океана (1370 млн. км 3); подземных вод - около 60 млн. км 3 , в виде льда и снега - около 30 млн. км 3 , в озерах и реках - 0,75 млн. км 3 , в атмосфере - 0,015 млн. км 3 . Гидросфера - единая оболочка, потому что все воды Земли взаимно связаны и находятся в постоянных больших и малых, быстрых и медленных круговоротах. Полное обновление вод происходит по-разному: подземные воды возобновляются за многие тысячи, а то и миллионы лет, воды Мирового океана - за 3 тыс. лет, озера - за 300 дней, реки - за 12 дней, водяной пар атмосферы - за 9 дней. Гидросфера - аккумулятор солнечного тепла и его перераспределитель на Земле.
За геологическую историю в гидросфере происходили, по-видимому, значительные изменения. Однако известно о них мало. Подсчитано, например, что в ледниковые периоды резко возрастало количество льда и за счет этого-уменьшение объема и понижение уровня (на десятки метров) Мирового океана. В настоящее время гидросфера охвачена невиданными по скорости и масштабам преобразованиями, связанными с технической деятельностью человечества. Ежегодно используется около 5 тыс. км 3 воды, а загрязняется примерно в 10 раз больше. Некоторые страны начали испытывать нехватку пресной воды. Все это не значит, что ее на Земле мало: просто, мы еще не научились рационально использовать воду.
Природные воды планеты изучаются различными науками. Гидрология занимается поверхностными водами суши (раздел гидрологии, посвященный изучению и описанию отдельных водных объектов - рек, озер, водохранилищ,- гидрография). Океанология исследует Мировой океан, гляциология - наземные льды, метеорология - воды атмосферы, гидрохимия - химический состав поверхностных вод, гидрогеология - подземные воды, геокриология - воды в недрах литосферы в твердом их состоянии (вечная мерзлота) и т. д. На роль обобщающих наук о всей гидросфере могут претендовать две науки: гидрогеохимия (химическое строение гидросферы) и гидрогеофизика (физическое строение гидросферы). У этих наук большое будущее, они еще молоды.
Однако, изучая всю гидросферу, нельзя забывать, что она слагается из бесчисленного множества водных объектов: ручьев, рек, облаков, озер, морей и т. д. Когда встречается небольшой родник у подошвы холма, или болотце в лесу, или речка, надо помнить, что это частицы великой всепланетной оболочки- гидросферы, а вода, которую вы пьете или на которую смотрите, за свою долгую историю побывала и в океане, и в облаках, и в реке, и под землей.
Воды планеты образуют гидросферу – прерывистую водную оболочку, расположенную на поверхности и в толще земной коры, включающую в себя океаны, моря, воды поверхности суши (реки, озера, подземные воды ) и воды, находящиеся в виде льда и снега на поверхности и под землей. В это определение не входит вода, находящаяся в виде водяного пара в атмосфере и содержащаяся в растениях и живых организмах .
Изучение свойств гидросферы и взаимодействия ее с окружающей средой, а также исследование процессов, в ней происходящих, и их закономерностей составляет содержание науки, называемой гидрология .
Первоначально гидрология как наука подразделялась на две части - гидрологию моря и гидрологию суши. В настоящее время гидрология моря выделилась в самостоятельную науку - океанологию, взадачу которой входит комплексное изучение процессов, протекающих в Мировом океане.
По объектам исследования гидрология суши подразделяется
на следующие направления:
1) гидрология рек;
2) гидрология озер и водохранилищ;
3) гидрология болот;
4) гидрология ледников.
Помимо деления по объектам исследования гидрология суши подразделяется по основным направлениям и методам исследования
на следующие разделы:
общую гидрологию , которая ставит своей задачей изучение общих свойств водных объектов суши, закономерностей, управляющих протекающими в них процессами, и общего взаимодействия этих вод с окружающей средой, включая и те изменения, которые происходят под влиянием деятельности человека;
гидрографию , которая занимается описанием конкретных водных объектов и вод отдельных территорий, а также закономерностей их географического распределения;
гидрометрию , в задачу которой входит разработка методов и приборов для наблюдений и измерений различных гидрологических величин (скорость течения, расход воды, твердый сток, ледовые явления и т. д.);
разработка оптимальной структуры размещения пунктов гидрологических наблюдений;
инженерную гидрологию (гидрологические расчеты и прогнозы), которая решает вопросы, связанные с запросами народного хозяйства
по определению различных гидрологических характеристик для нужд гидротехники, ирригации, мелиорации, строительного и экологического проектирования.
Гидрология изучает весь комплекс вопросов, относящихся к деятельности воды на Земле. Отсюда вытекает ее тесная связь, с другими географическими науками: метеорологией и климатологией, гидрогеологией, почвоведением, геоморфологией и др. Рассмотрим некоторые примеры.
Метеорология рассматривает перенос влаги ветрами, конденсацию, выпадение атмосферных осадков, твердых и жидких. Процессы стекания, трансформации и накопления осадков на водосборе рассматривает гидрология. Вопросы испарения, распределения осадков (особенно твердых осадков) изучаются одновременно и метеорологией, и гидрологией.
При рассмотрении процессов эрозии и аккумуляции гидрология теснейшим образом соприкасается сгеоморфологией - наукой о формах земной поверхности.
Изучением подземных вод, находящихся в земной коре, занимаетсягидрогеология. Почвенный покров и первые метры толщи горных пород –это область повышенного интереса гидрологии и гидрогеологии одновременно. Гидрологию ярусы подземных вод в первую очередь интересуют как емкости накопления воды и в разной степени замедленного ее истечения в русловую сеть речного бассейна; гидрогеология исследует распространение, формы залегания, запасы, режим и движение подземных вод.
Почвенные, подземные воды, воды атмосферы изучаются в гидрологии при исследовании взаимодействия гидросферы с другими сферами, круговорота воды в природе и формирования стока воды на водосборе.
Гидрология также тесно связана с другими естественными науками (физикой, химией, биологией ).
Так, законы движения жидкости и способы применения их к решению практических задач в конкретных условиях, создаваемых природой или человеком, – задачи гидромеханики и ее прикладного разделагидравлики .
Гидрофизика занимается изучением физических свойств природной воды, а изучением состава и химических свойств природных вод и их изменениями во времени и пространстве занимается раздел геохимии - гидрохимия .
Биологическими процессами, протекающими в воде, и их взаимодействием с окружающей средой занимаетсягидробиология .
Законы, на которых базируется гидромеханика и гидравлика, гидрофизика, гидрохимия и гидробиология, служат основой для исследования сложных процессов, происходящих в океанах, морях и водных объектах суши.
Понятие о гидросфере и происхождении воды.
Свойства воды
Круговорот воды на планете
Мировой океан.
Свойства океанической воды
Движение вод океана
Жизнь в океане
Воды суши. Поверхностные воды.
Подземные воды. Мерзлота.
Гидросфера – это водная оболочка Земли, включающая в себя воды Мирового океана, воды суши – подземные и поверхностные (реки, озера, болота, ледники), водяной пар в атмосфере и химически связанную воду (это вода, содержащаяся в горных породах и живых организмах). Вода – самое распространенное вещество на планете, она занимает 71% поверхности Земли. Вода находится повсюду и проникает во все оболочки Земли, поэтому гидросферу на планете можно считать непрерывной.
Мощность (толщина) гидросферы около 70-80 км, т.е. верхняя ее граница проходит в мезосфере (там, где есть серебристые облака), а нижняя соответствует уровню залегания осадочных пород.
Гидросферу изучают многие науки: океанология (наука о Мировом океане), гидрография (изучает воды суши), гидрология (наука о реках), лимнология (изучает озера), гляциология (наука о ледниках), геокриология (наука о мерзлоте), болотоведение и другие.
Происхождение воды
1. Ювинильное (юное) происхождение: вода возникла с образованием планеты, ибо входила в исходное протопланетное вещество. При разогреве недр и диффузии вещества внутри Земли водяной пар выделялся наружу и, охлаждаясь, конденсировался. И сейчас при извержении вулканов каждый год выделяется около 1,3 . 10 8 тонн воды.
2. Космическое происхождение: с ядрами комет и метеорным веществом вода может приноситься на Землю.
3. Атмосферное происхождение («солнечный дождь»): атомы водорода, приносимые солнечным ветром, вступают в реакцию с атомами кислорода в верхних слоях атмосферы, в результате чего образуется вода.
4. При разложении органического вещества может выделяться вода.
5. Антропогенное происхождение: вода может образовываться при горении, окислении и т.п.
Свойства воды
Впервые воду описал в IV в. до н.э. древнегреческий ученый Аристотель. До XVIII в. существовало представление о воде как об индивидуальном химическом элементе. В 1781 г. английский химик Г.Кавендиш синтезировал воду путем соединения водорода с кислородом (пропускал электрический разряд через смесь водорода и кислорода). В 1783 г. французский химик А.Лавуазье повторил опыт Кавендиша и сделал вывод о том, что вода – это сложное соединение, состоящее из кислорода и водорода.
Формула химически чистой воды: Н 2 О (окись водорода). Молекула воды представляет собой равнобедренный треугольник с отрицательно заряженным атомом «О» в вершине и двумя положительно заряженными атомами «Н» в основании.
Кроме обычной воды (Н 2 О), встречается в очень малых количествах тяжелая (Д 2 О) и сверхтяжелая (Т 2 О) вода. (Д – дейтерий, Т – тритий).
Обычная вода в условиях нормального атмосферного давления кипит при температуре +100 о С, замерзает при температуре 0 о С и имеет максимальную плотность при температуре +4 о С. При охлаждении воды ниже +4 о С плотность ее уменьшается, а объем увеличивается, и при замерзании происходит резкое увеличение объема. В отличие от всех веществ в природе вода при переходе из жидкого состояния в твердое приобретает меньшую плотность, поэтому лед легче воды. Эта аномалия воды играет важную роль в природе. Лед держится на поверхности водоемов. Будь лед тяжелее воды, образование его начиналось бы со дна, и водоемы были бы многолетнемерзлыми (за лето не все успевали бы оттаять), а жизнь могла бы погибнуть.
Вода – сильнейший растворитель в природе. Химически чистой воды в природе нет. Даже в самой чистой воде – дождевой – содержатся соли. Различают воду пресную (до 1 о / оо солей), солоноватую (до 25 о / оо) и соленую (больше 25 о / оо). От солености воды зависит температура ее замерзания, поэтому океаническая вода замерзает при температуре ниже 0 о С. Минерализация воды до некоторого предела является благоприятным условием существования жизни. Чистая вода в силу своей огромной растворяющей способности была вредной для живых тканей.
Вода обладает аномально высокой теплоемкостью. Ее теплоемкость в 2 раза больше, чем теплоемкость дерева, в 5 раз – песка и в 3000 раз – воздуха, следовательно, можно сказать, что океан – это аккумулятор тепла. Таким образом, водоемы смягчают климат.
Вода имеет небольшую теплопроводность, из чего следует, что лед предохраняет воду от охлаждения.
Из всех жидкостей (кроме ртути) вода имеет самое большое поверхностное натяжение. Отсюда способность воды подниматься по капиллярам почвы и в растениях.
Вода пребывает одновременно в газообразном, жидком и твердом состоянии на планете. На Земле нет места, где бы не было воды в той или иной форме. Температура, при которой жидкая вода, пар и лед находятся в равновесии, равна +0,01 о С. При переходе воды из одного состояния в другое происходит либо выделение тепла (при конденсации, замерзании), либо поглощение его (при испарении, таянии).
Вода способна к самоочищению, но до известного предела. Испаряется только чистая вода, все примеси остаются на месте. Загрязнение воды промышленными отходами нередко переходит предел самоочищения.
Свойства воды сильно изменяются под влиянием давления и температуры. При давлении в 1 атм. (760 мм) вода замерзает при температуре 0 о С, а в 600 атм. – при температуре –5 о С. При сверхвысоком давлении (больше 20000 атм.) вода переходит в твердое состояние при температуре +76 о С (горячий лед). Такой лед может быть в недрах Земли. При очень низких температурах (меньше –170 о С) и небольшом давлении образуется сверхплотный лед (как твердый камень), такой лед может быть в ядрах комет.
Под действием ультрафиолетовых лучей вода распадается на водород и кислород.
Объем воды на Земле
Мировой океан 95%
Подземные воды 3%
Ледники 1,6%
Озера 0,15%
Реки 0,0001%
Почвенная влага 0,005%
Атмосферная влага 0,001%
На долю пресной воды приходится только около 2,5%, из которых большая часть – это вода в ледниках и глубинных слоях земной коры.
